一种用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置及方法

1.本发明属于等离子体活化水设备技术领域，涉及一种低温等离子体活化水制备装置，具体涉及一种用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置及方法。


背景技术：

2.等离子体是具有超常化学活性的高能粒子聚集的物质第四态，具有超强反应性、对目标物作用无选择性、环境无残留等特点。近年来，低温等离子体技术因其在原理与应用方面的独特规律而在环境、医疗、农业等领域引起广泛关注。但相对于农业应用来说，低温等离子体技术的灵活性不够，无法均匀处理种子表面，且操作比较复杂。
3.因此有学者将水暴露在各种形式的等离子体放电中，经过等离子体处理制成具有等离子体活性的液体——等离子体活化水(paw)。诸多研究表明，paw中含有硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等，可为种子发芽提供养料,促进种子新陈代谢，刺激种子萌发，相对于传统的等离子体处理技术，paw在保证等离子体处理效果的前提下具有灵活、安全的优势，且能够克服设备与仪器的限制，直接作用于种子。
4.由于paw中的活性粒子浓度远低于安全标准，且在医学方面已有广泛应用，如治疗慢性伤口感染等，所以不会对种子本身造成不良影响，且在现有研究中并未发现paw危害。因此，在农业生产过程中，paw技术能够克服传统方法中的缺陷，对解决化肥、农药施用带来的社会、经济、环境问题具有重要的现实意义。
5.现有低温等离子体活化水制备装置，大部分存在处理效率低、放电不均匀和装置复杂易损坏的缺点，且单位时间内制备的等离子体活化水水量较少，无法持续生产。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置及方法，能够有效解决现有低温等离子体活化水制备装置处理效率低、放电不均匀、操作复杂及单位时间制备水量较少的技术难题。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.本发明公开了一种用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置，包括沿面介质阻挡放电反应器、电源、气路、水容器和隔膜气泵；
9.所述沿面介质阻挡放电反应器包括反应腔体和设置在反应腔体内的气体发生单元，所述气体发生单元包括高压电极，在高压电极外依次套设有绝缘套管和介质套管，在介质套管外缠绕有低压电极，高压电极和低压电极分别与电源的两极相连；
10.所述气路包括第一气路和第二气路，所述水容器中填充有水，隔膜气泵产生的气体经第一气路进入沿面介质阻挡放电反应器中，沿面介质阻挡放电反应器产生的等离子体通过第二气路持续通入水容器中的水中。
11.优选地，所述高压电极为一根柱状钢棒。
12.进一步优选的，柱状钢棒的直径为1～3mm。
13.优选地，所述低压电极采用铜线，低压电极的缠绕间隔为2～5mm。
14.进一步优选地，铜线的直径为0.2mm，
15.优选地，所述绝缘套管是由聚四氟乙烯材料制成的圆柱状套管。
16.进一步优选地，由聚四氟乙烯材料制成的直径为3～5mm的圆柱状套管。
17.优选地，所述介质套管是由氧化铝制成的圆柱状多孔陶瓷套管。
18.进一步优选地，介质套管的外径为10mm、内径为8mm。
19.更进一步优选地，多孔陶瓷套管的孔隙率为50％。
20.优选地，所述电源为交流电源，功率电源输入0～220v，输出频率5～20khz，放电功率为10～30w。
21.优选地，在水容器顶部设有载体，底部一侧设有进水口，另一侧设有出水口，在水容器侧壁上还开设有出气口。
22.优选地，在反应腔体上还设有光纤光谱仪接口。
23.进一步优选地，反应腔体底部设有底座，在反应腔体内部还设有用于支撑气体发生单元的支架。
24.本发明还公开了采用上述的用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置制备低温等离子体活化水的方法，包括：
25.1)隔膜气泵产生的气体经气路进入沿面介质阻挡放电反应器的反应腔体中，接通电源，气体发生放电反应被电离，形成等离子气体；
26.2)等离子气体经气路被输送至水容器中并溶于水中，生成低温等离子体活化水。
27.优选地，采用空气作为工作气体，空气气体流量为1～6l/min。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29.本发明公开的用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置，通过第一气路将空气充入沿面介质阻挡放电反应器中，通过沿面介质阻挡放电生成等离子体，再通过第二气路将带有等离子体的气体持续不断的导入水中，生成等离子体活化水。该装置的优势具体体现在：
30.1、将等离子体气体持续不断地导入水容器底部的过程中，能够有效增大等离子体与水接触的面积和时间，因此有利于生成含有更多活性氮(硝酸盐、亚硝酸盐)和活性氧(过氧化氢)的活化水。
31.2、本发明放电系统选择沿面介质阻挡放电型式，电极分布在介质板上下两侧，气体放电在电极的上方沿着介质表面产生，因此通常称之为沿面放电。该放电方式可以在介质表面产生较大面积的等离子体层，生成更高浓度的活性物质，如羟基自由基(
·
oh)，一氧化氮自由基(no
·
)，超氧化物自由基(o
2-·
)，原子氧(o)，单重态氧(1o2)和激发氮(n)。本发明将等离子气体通入水容器底部，气体会在水中上升，搅动水与等离子体接触，这种“尾气搅拌”操作能够加快活性粒子和水反应，增大等离子体与水的接触面积和接触时间。更有利于等离子体溶解，生成含有更多活性氮活性氧的活化水。
32.3、结构设计合理，稳定性强，沿面介质阻挡放电反应器内部设有高压电极，外部套设绝缘套管和介质套管，在介质套管的外壁缠绕一层低压电级。气体从外部经介质套管上的孔隙进入电极系统内部，再由介质套管与高压电极的空隙处排出，在这个过程中气体必须通过放电区域，有效保证了等离子气体密度。
33.4、安全性高，使用气路将等离子气体输送到水容器底端，将水、电完全隔离，使用时非常安全。
34.进一步地，本发明采用多孔陶瓷作为介质套管，多孔陶瓷可以过滤空气杂质，维持长时间稳定放电。
附图说明
35.图1为本发明的低温等离子体活化水制备装置的结构示意图；
36.图中，1为沿面介质阻挡放电反应器；2-1为第一气路；2-2为第二气路；3为水容器；4为隔膜气泵；5为高压电极；6为绝缘套管；7为进气口；8为载体；9为进水口；10为光纤光谱仪接口；11为电源；12为低压电极；13为介质套管；14为出气口；15为出水口。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
40.参见图1，本发明公开的一种用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置，其特征在于，包括沿面介质阻挡放电反应器1、电源11、气路、水容器3和隔膜气泵4；
41.所述沿面介质阻挡放电反应器1包括反应腔体和设置在反应腔体内的气体发生单元，所述气体发生单元包括高压电极5，在高压电极5外依次套设有绝缘套管6和介质套管13，在介质套管13外缠绕有低压电极12，高压电极5和低压电极12分别与电源11的两极相连；
42.所述气路包括第一气路2-1和第二气路2-2，所述水容器中填充有水，隔膜气泵4产生的气体经第一气路2-1进入沿面介质阻挡放电反应器1中，沿面介质阻挡放电反应器1产生的等离子体通过第二气路2-2持续通入水容器3中的水中。
43.优选地，在水容器3顶部设有承托沿面介质阻挡放电反应器1的载体(8)，底部一侧设有进水口9，另一侧设有出水口15，在水容器3侧壁上还开设有出气口14。
44.本发明一种优选实施方式，所述电源11为交流电源，功率电源输入0-220v，输出频率5-20khz，放电功率为10-30w。所述高压电极5为反应器中心的一根钢棒，电极形状为直径1-3mm的圆柱状。所述绝缘套管6为包裹在高压电极5外侧的聚四氟乙烯，绝缘套管的形状为
中空直径为3-5mm的圆柱状。所述介质套管为圆柱状多孔陶瓷，材质为氧化铝，内径8mm，外径10mm，长度100mm；孔隙率为50％。所述低压电极12为缠绕在介质套管13外侧的细铜线，直径为0.2mm，缠绕间隔为2-5mm。
45.沿面介质阻挡放电是介质阻挡放电的一种形式，电极分布在介质板上下两侧，气体放电在电极的上方沿着介质表面产生，因此通常称之为沿面放电。该放电方式可以在介质表面产生较大面积的等离子体层，生成更高浓度的活性物质。设计的电源放电参数(功率、频率、时间等)在一定范围均可调，且可进行脉冲调制(占空比、脉冲频率等可调)，通过使用不同直径的钢棒做高压电极可控制放电间隙在5-7mm。放电反应器内部是一个钢棒作高压电极，外部是圆柱状多孔陶瓷作为介质套管，在介质套管的外壁缠绕一层细铜线用作低压电级。气体从外部经介质套管上的孔隙进入电极系统内部，再由介质套管与高压电极的空隙处排出。这意味着气体必须通过放电区域，保证了等离子气体密度。
46.本发明的上述用于种子处理的低温等离子体活化水制备装置，在使用时：
47.等离子体实验电源(电源输出电压0-100kv,主机输出频率5-20khz，脉宽0-500ns，脉冲频率10-1000hz)连接沿面介质阻挡放电反应器，对工作气体进行离化，产生低温等离子体。调节输出功率为10-30w，放电间隙5-7mm，工作气体为空气，气体流速控制在1-6l/min，可通过转子流量计进行流速控制。离化后的气体经气体管路通入水容器底部与自来水混合形成低温等离子体活化水。其中等离子体气体组成可以通过改变放电功率、电极间隙、气体流量进行控制。由进水口流入，加入50ml自来水，放电活化时间5-15min，进行一次自来水放电活化处理，得到50ml活化水。
48.下面，本发明选择小麦、大豆、玉米种子进行活化水应用验证。活化水是采用本发明的上述装置制备得到的低温等离子体活化水。
49.实施例1小麦种子发芽实验
50.将种子随机分为四组，每组3个样品，每个样品包含50颗小麦种子，然后采用本发明上述的低温等离子体放电装置制备活化水，调节放电功率为30w，放电间隙5mm，气体流量5l/min，分别放电0(对照)、5、10、15min。不同放电时间对应不同组别，使用培养皿进行纸上发芽，分别使用对照及不同活化水保持发芽床湿润，在电热恒温培养箱中进行发芽试验，控制发芽温度为20℃。培养8天，观察种子的生长情况，如表1所示：
51.表1活化水处理对小麦种子发芽的影响
52.萌发指标对照paw-5paw-10paw-15发芽势(％)38.7
±
7.442.7
±
10.037.3
±
13.251.3
±
15.5发芽率(％)86.0
±
3.391.0
±
2.593.3
±
0.996.0
±
5.7发芽指数32.6
±
2.034.5
±
3.234.7
±
4.035.8
±
4.0活力指数6.2
±
0.48.2
±
0.88.0
±
0.98.8
±
1.0芽长(cm)7.0
±
0.610.4
±
0.89.4
±
0.510.3
±
0.4根长(cm)9.4
±
1.29.5
±
0.88.9
±
0.510.8
±
0.6鲜重(mg)190.1
±
24.5238.3
±
10.4229.3
±
40.2244.7
±
11.0干重(mg)36.0
±
0.642.4
±
6.135.2
±
9.638.5
±
1.6
53.由表1所知，使用paw-15处理小麦种子，发芽率提高10.0％，发芽势提高12.6％，发芽指数提高9.8％、活力指数提高41.9％，根长增加了14.9％，芽长增加了47.1％，干重增加
了6.9％，鲜重增加了28.7％。
54.实施例2大豆种子发芽实验
55.将种子随机分为四组，每组3个样品，每个样品包含20颗大豆种子，然后采用低温等离子体放电装置制备活化水，调节放电功率为30w，放电间隙5mm，气体流量5l/min，分别放电0(对照)、5、10、15min。不同放电时间对应不同组别，使用培养皿进行纸间发芽，分别使用对照及不同活化水保持发芽床湿润，在电热恒温培养箱中进行发芽试验，控制发芽温度为20℃。培养8天，观察种子的生长情况，结果如表2所示：
56.表2活化水处理对大豆种子发芽的影响
57.萌发指标对照paw-5paw-10paw-15发芽势(％)75.0
±
14.770.0
±
17.878.3
±
6.268.3
±
6.2发芽率(％)83.3
±
4.786.7
±
2.490.0
±
8.288.3
±
2.4发芽指数14.3
±
1.913.2
±
2.714.6
±
1.113.8
±
0.9活力指数13.5
±
1.914.5
±
3.014.3
±
1.113.5
±
0.9芽长(cm)1.7
±
0.61.8
±
0.71.8
±
0.41.8
±
0.5根长(cm)3.6
±
0.17.0
±
1.15.5
±
1.04.2
±
0.4鲜重(mg)947.1
±
70.21092.7
±
105.4977.5
±
43.8978.5
±
16.0干重(mg)256.1
±
13.2264.1
±
22.7254.7
±
21.5303.2
±
15.0
58.由表2所知，使用paw-10处理大豆种子，发芽率提高6.7％，发芽势提高3.3％，发芽指数提高2.1％、活力指数提高5.9％，根长增加了52.8％，芽长增加了5.9％，鲜重增加了3.2％。
59.实施例3玉米种子发芽实验
60.将种子随机分为四组，每组3个样品，每个样品包含20颗玉米种子，然后采用低温等离子体放电装置制备活化水，调节放电功率为30w，放电间隙5mm，气体流量5l/min，分别放电0(对照)、5、10、15min。不同放电时间对应不同组别，使用培养皿进行纸间发芽，分别使用对照及不同活化水保持发芽床湿润，在电热恒温培养箱中进行发芽试验，控制发芽温度为20℃。培养7天，观察种子的生长情况，结果参见表3：
61.表3活化水处理对小麦种子发芽的影响
[0062][0063][0064]
由表3所知，使用paw-15处理玉米种子，发芽率提高16.7％，发芽势提高18.3％，发
芽指数提高35.7％、活力指数提高51.0％，根长增加了35.9％，芽长增加了47.4％，鲜重增加了11.0％。
[0065]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。